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非牛顿化学反应的材料在单螺杆挤出机中的运输过程的计算研究罗格斯大学机械系和航空航天工程系，New Brunswick，NJ08903，USA摘要 关于单螺杆挤出机通道进行中所产生的运输现象的数值研究已经完成。其中非牛顿流体被考虑使用可变粘度功法模型而化工反应动力学也包括在内。使用限差分计算来解决受速度，温度和材料的浓度影响的偏微分方程组，以及关于在宽锥形螺杆通道的情况下影响一系列的参数范围。 在此结合的传热传质的数值处理问题概述。行进过程中的下降通道方向通过和讨论实际问题的方案的有效性。对于大型的粘性耗散，材料加热，由于当时的剪切场，粘度显著影响，结果发展成在通道的尽头压力大的变化。反应速率控制质量的扩散速度，从而反过来影响粘度和流量。无量纲的吞吐量，qv，一个最重要的参数中的数值解。因为非等量的压力的变化对qv是非常敏感的而且幅度的变化是可能因为小的qv变化而引起的。为了计划处理其他重要的影响因素，如回流、在辊筒中导体的传热还有这些影响的消失都做了大体的概括。关键词：运输现象;单螺杆挤出机;化学反应；动力学;有限差分计算;非牛顿材1、介绍螺杆挤出机是一种热机械加工，操作中原料被送入料斗和被迫之间通过旋转螺丝和通过固定桶。通过特定形状的模具加工材料出来。单、双螺杆挤出机形被广泛用于食品和塑料加工、熟制品生产行业。高剪切和在混合材料的温度环境内螺旋通道的结果导致构成烹调过程中的化学反应。底层传热传质运输过程进行了分析，综合处理对不可用挤出机的设计和优化时非常有用的。本章试图通过数值模拟复杂的热单螺杆挤出机的简单几何和群众的转移作用来填补在文学方面的的差距。一些研究人员研究的各个部分的聚合物流挤出机，采用不同的数值分析技术（Fenner1977年，1979年; Tadmor & Gogos 1979年）。Fenner（1977）认为的温度沿螺旋通道的长度上升。Elbirli & Lindt（1984）报到了从模型中得出的温度确实沿着螺旋通道上升这一结果。在这些模型中，螺杆和滚筒被认为是在相同均匀的温度下。Karwe & Jaluria（1990）对高分子材料与单螺杆挤出机流和传热螺杆绝热边界条件提出了数值模拟结果。虽然没有对模拟螺杆挤出大规模运输研究的文献，但它对产品质量和挤出的属性方面初级使用具有非常大的重要性。通过对在挤压食品及塑胶原料的流动和运输过程的有限差分数值的模拟研究，获取了沿螺杆的长度、温度、速度和质量浓度的变化通道。淀粉颗粒在挤出机内对水分的吸过程的分析的手段是仿照我们的分析手法。通过模型说明通道深度的变换是由于锥度引起的。粘性耗散和化学反应的影响，所取得的成果方面包括了基本的运输过程方面的讨论。主管的无量纲参数：锥度，吞吐量（或体积流量）qv，Peclet数Pe，量纲粘度指数n，系数1、2，还有bm，粘度的变化特征温度和浓度，无量纲的糊化率S，格里菲斯数G，这代表了粘性水平。分析适用于计量段或熔体输送部分，其中的物质被加热和受高剪切速率。对流动，传热和浓度分布参数螺旋通道内详细研究。2、问题制定单螺杆挤出机的简化的几何形状和截面螺丝通道如图1所示。为了便于可视化和分析，坐标系统被固定在螺杆根部，因此，枪管移动相反的方旋转。这种说法被普遍采用（Fenner1977年，1979年; Tadmor & Gogos 1979年）。以下假设在计算从方程基本的保护原则。 （1）螺旋通道的曲率是小，使通道螺旋“开放“获得简单的几何形状为便于计算。（2）螺杆轮廓呈长方形，宽度（W）比深度（H）更大。其他形状如一个梯形，也可以在这个计划通过模拟“等价”的高度。 （3）润滑近似是有效的。对于高粘度的流态，这里认为是典型的食品原料，雷诺数的顺序是0-0002，惯性的条件确实比较微不足道。（4）返回在渠道断面的流量是有限的，以一个非常小的流速。这个假设涉及模的存在，在通道的尽头在挤出机内的流动特性，这种耦合中详细讨论。 （5）螺杆和滚筒之间的间隙被认为是足够允许在相邻的两个螺杆之间有一个可忽略的泄露量。单螺杆挤出机运输过程的研究（6）扩散到食品中的原料，由于其吸收水分糊化是仿照作为一个零阶反应。 对于稳定、增长、二维均匀流体的流量在一个单螺杆挤出机中一个浅浅的通道（即，为H 1）。因此，发生传热，这可能，因此，必须要在部分冷却时关闭模具，以确保它是在特定温度下保持。对于较小的温度从每桶流体的G值，传热更常见的情况出现。，温度梯度，在每桶也高于在螺杆根部，因为产生的热量由粘性耗散进行。温度通常看作是高于施加桶温度，这在挤出机的设计具有重要的意义。图4显示了水分的浓度轮廓。水槽的长期效果160 320480640 800图3，等温线和四个下游位置的温度分布（一）与n=0.3,=16.54，qv= 0.25，Pe=7050，G=0.05,=1.134,1=10.0,bm=1.0,S=-1000,Le=0.0011,=0.5没有锥度还显示是速度场（B）。图4所示的图形，以及相应的恒定水分浓度c型材，在四个下游Amioca位置。图5，简化和速度分布在四个下游的位置，并在一个锥形通道的压力和压力变化梯度Hylon7适当的反应，主要表现在水分减少的形式由于以水为原料的凝胶形成粘接的浓度达到糊化温度。这发生在指定的速度流失的水分长期S和较大学显然更快速上升，由于水槽长期下沉S = 0时（即无反应），在水分急剧减少的幅度，浓度沿螺旋通道发生较早不如预期首，首先也发生在螺杆根部。粘度的大小来控制两个变量，也就是说，温度和水分含量在相反方向的行为作为材料被加热糊化，从而失去水分。在图4所示的设置条件，这直接导致糊化附近螺丝。然而，反应速度，这是一个对温度的功能和剪切是一个烹饪过程更逼真再现。在这种情况下，糊化轮廓可以从这里显示的是相当不同的。目前正在努力进行是的热和剪切效应纳入模型。典型的0.1432锥角的模拟结果如图5所示。锥角对应的布拉班德的单螺杆挤出机。螺杆根部小号连续进入从饲料部分的模具。所有正常化是基于深度除垂直螺旋通道的最后通道（氢气）距离（Y），这是缩小与当地的深度（H）。在图5中，锥度部分是放大，清晰。考虑到在一个长方形的等温牛顿流体流动的情况下，在锥形通道内，根据在通道两端上施加压力，这里可能是一个最大的压力剖面，介于两者之间。这可以分析显示。在这个最大的位置是纯阻力流。为非牛顿流体，但是，它是不明确是否这个最大必在挤出机内部或外部发生。对于非等温情况下，作为材料在一个锥形通道流动，它就会减少差距。然而，净流率要在任何通道截面保持在相同的值。如图5所示，间距简化是向模具接近。在四个下游流速剖面位置显示圆锥渠道相比明显不同的行为无锥度。它可能会注意到，成为最初弯曲的流速剖面线性（拖动相应流量）作为节变浅。在模具部分，显示在通道的速度大于桶内速度（或螺杆移动制定，螺钉尖端速度），再次证明压缩效应。变得几乎完全一致的温度分布整个航道水深在该地区靠近模具锥形通道。这温度也等于强加每桶温度。比没有锥度，这表明，在更好的热混合和窄间隙均匀。这些结果可以用在有利的情况下，挤出机的设计在特定的压力水平的需要，同时保持良好发展，混合促进锥形通道的压缩效应。图6显示了不同实力的散热器上的压力沿着通道上升的影响。相比的S=0，因次压力的情况下模具被认为是更高的散热器优势。下游的变化压力梯度与沟道长度（此处未显示）有扭结，在糊化第一次出现的地步轮廓。然而，这种上升dp/dz的价值是不是强大到足以抗衡的温度效应，这往往降低粘度，因此，更容易使物质流。图6,强度的影响对湿度变化的无量纲沿螺杆的压力P *，通道长度为Z *，图3中给出的条件。图7，电源的影响在定律上的变化指数n因次压力p*沿螺杆通道长度Z*qv= 0.3,G= 0.001，和其他如图3的条件。图7显示了在挤出机的渠道获得的压力的影响改变材料的幂律指数n。淀粉可以典型特征幂律指数比0.5。曲线为G=0.001，QV= 0.3，s =- 1000。因此，只有n是多种多样的，保持在图（4）相同的其他条款。这意味着在一个给定的剪切速率更高的列印较高的粘度。这些结果表明：n的效果，虽然没有实际的物理环境，这里是模拟。压力从料斗沿serew螺旋模具如预期上升。对于非牛顿流体，N 1，粘度随剪切速率增加。牛顿流体，N = 1，因此，给上升到较大的粘性阻力，这反过来又意味着更大的压力梯度需要克服。 被调查的压力发展的影响，在模具上的吞吐量qv。图8所示，一个较小的值，对应更大限制在模具流量，在一个更大的压力上升的结果相比的情况下与qv= 0，这是温流开模的情况。牛顿流体，QV= 0.5。这里设置为特定的条件，一个较大的值的结果是压力模具料斗损失。这是因为平衡原料，通过挤出机通道流之间的压力积聚，不能保持和宽松的压力，由于粘度下降。如果流量的增加，在模具的压力进一步降低。这个限制值取决于特定流的条件：例如，幂律指数n和粘度系数13。对于等温，牛顿流体，一个简单的理论分析由此可见，qv=0对应在挤出机的吞吐量。对于非等温，聚合物流考虑，这无模值情况是难以估量的，但通常是0.3左右。5、结论发生在食品流通的运输现象的数值模拟通过单螺杆挤出机的材料已经开展。对于显著粘性内的材料消耗，材料的温度上升到高于强加料筒温度多达100个。然而，流场是不强烈。水分轮廓提供了定量估计烹饪，食品材料经历的程度。由于淀粉糊化和粘合发生早，先在螺杆根反应发生率较高。糊化粘度显着增加，这样从而导致更大的粘性加热，因此，食品原料做饭。压力在挤出机的发展是显着吞吐量的影响。对于超过限制值，通常为0.3，实际上压力吞吐量较大，这意味着该材料具有较大压力，要通过泵的挤出机。尖细的螺旋通道在模具的压力发展是一个重要的的控制手段。先进的食品技术中心，是新泽西州委员会科学和技术中心。这项工作也由美国支持的，部分美国陆军研究办公室。作者要感谢Karwe博士和Sernas教授在整个项工作进行讨论。符号列表b 粘度温度系数;bm =Bmcm;Bm 水分的粘度系数;Cm 水分含量;Cmi 初始水分含量;c* 量纲厘米;C 比热流体;D 散装物料的水分进入大规模扩散;Db 桶的直径;G 格里菲斯的数量;H 螺旋通道的高度，作为一个z的函数;H1 最初的螺旋通道的高度;H2 最后/螺杆通道高度;k 导热流体;L 轴向螺钉长度;Le Lewis数，代表大规模扩散到相对大小热扩散;n 幂律指数，（4）;N 螺杆转速（rpm）;p 压力;p1 参考压力;p* 因次压力;Pe Peclet数;qv 量纲体积流率（吞吐量）;Q 总体积流量;S 无量纲的水分汇项;s 反应率;t 时间;t1 平均停留时间;T 温度;Tb 料筒温度;Ti 进气温度;u 在x方向的速度分量;v 在y方向的速度分量;Vb 切向每桶速度;Vbx 库组件，沿X;w 沿zVB组件;W 在z方向的速度分量;x 宽度螺丝渠道;y 坐标轴拧航班正常;z 坐标轴螺杆根部正常; 坐标轴沿螺旋通道; 热扩散，T = K/质量控制;1 量纲铽，FL =T B/钛; 螺杆螺旋角; 应变率; 参考应变率; 无量纲应变率; 参考粘度;平均粘度;锥角锥形螺杆通道; 量纲温度，0 =（-钛）/（TB -钛）流体的密度; 剪应力参考文献ElbirliB，瑞士莲托德1984年热开发流程的数值处理的说明螺杆挤出机。Polym ENG。SCI。24:482-487Fenner R T 1977年在聚合物稳定螺杆挤出分析的发展。聚合物18:617-622Fenner R T 1979年聚合物加工原理（纽约：化工出版社）Harper J 1980年食品挤压（佛罗里达州Boca Raton：CRC出版社）Jaluria Y 1988年计算机工程方法（李约瑟高地，MA：阿林培根）Jaluria Y, Torrance K E 1 1986年托伦斯柯计算热转移（纽约：西半球）Karwe M V, Jaluria Y 1990年在一个单一的流体流动与传热的数值模拟非牛顿流体的螺杆挤出机。高等学校计算传热格A17:167-190Kays